Флуоресценция представляет собой процесс излучательной дезактивации молекулы, находящейся в возбужденном синглетном электронном состоянии, при котором происходит испускание фотона и переход в основное синглетное состояние. Временной интервал между поглощением фотона и излучением в этом случае чрезвычайно мал — порядка (10{-9})–(10{-8}) секунд, что отличает флуоресценцию от более медленных фотолюминесцентных процессов, таких как фосфоресценция.
Феномен флуоресценции обусловлен фундаментальными законами сохранения энергии и правил отбора для электронных переходов. Излучение возникает при обратном переходе электрона из возбужденного состояния (S_1) или (S_2) в основное состояние (S_0), сопровождающемся релаксацией вибронных уровней.
На диаграмме Яблонского процесс флуоресценции отображается как вертикальный переход со второго или первого синглетного возбужденного состояния вниз в основное синглетное состояние. Перед этим электрон часто проходит этап внутренней конверсии, выравниваясь по нижним уровням возбужденного состояния (S_1). Таким образом, излучение в подавляющем большинстве случаев связано именно с переходом (S_1 S_0).
Энергия испускаемого фотона всегда меньше, чем энергия поглощённого, вследствие частичной диссипации энергии на безызлучательные процессы. Это приводит к сдвигу спектра излучения относительно спектра поглощения в сторону больших длин волн, что известно как сдвиг Стокса.
1. Время жизни возбужденного состояния. Для флуоресценции характерны времена жизни порядка наносекунд. Их измерение с помощью методов временной корреляции или импульсной лазерной спектроскопии позволяет судить о природе переходов и влиянии внешней среды.
2. Спектры возбуждения и излучения. Спектр возбуждения флуоресценции обычно совпадает со спектром поглощения вещества, что отражает общий энергетический базис переходов. Спектр испускания имеет более длинноволновый максимум, отражая энергетические потери в процессе релаксации.
3. Квантовый выход. Квантовый выход флуоресценции определяется как отношение числа испущенных фотонов к числу поглощённых. Значение зависит от конкуренции излучательных и безызлучательных процессов: внутренней конверсии, межсистемной конверсии и взаимодействия с внешней средой.
4. Интенсивность. Интенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации вещества до тех пор, пока не наступает эффект самопоглощения или внутреннего фильтра.
Строение молекулы. Высокая вероятность флуоресценции характерна для ароматических и конъюгированных систем, где (^*)-переходы обладают высокой интенсивностью. Жёсткость структуры и наличие плоских конъюгированных фрагментов повышают квантовый выход.
Влияние растворителя. Полярность среды способна вызывать спектральные сдвиги и изменять квантовый выход. Водородные связи и специфические взаимодействия также играют роль в стабилизации возбужденных состояний.
Температура. При повышении температуры увеличивается вероятность безызлучательных переходов, что приводит к тушению флуоресценции.
Тушение. Флуоресценция может быть ослаблена при наличии тушащих агентов: кислорода, тяжёлых атомов, ионов переходных металлов. Механизмы тушения включают динамическое столкновительное тушение и статическое комплексообразование.
Флуоресценция подчиняется правилам отбора: разрешены переходы, не связанные со сменой спина. Именно поэтому наиболее вероятным является переход (S_1 S_0), тогда как межсистемная конверсия в триплетное состояние может уводить энергию в канал фосфоресценции или безызлучательной релаксации.
Флуоресценция является мощным инструментом в аналитической химии и биохимии. Она используется в спектроскопии для определения малых концентраций веществ, в изучении кинетики быстрых процессов и структурных характеристик молекул. Применения охватывают создание флуоресцентных зондов и меток, разработку лазерных красителей, исследование молекулярных взаимодействий и процессов переноса энергии.
Особое место занимает использование флуоресценции в методах тайм-резолвинг спектроскопии, флуоресцентной микроскопии и в медико-биологических приложениях, где чувствительность метода достигает молекулярного уровня.